Nükleer Reaktörler ve Çalışma Prensibleri

Geçmişte atom enerjisi ile ilgili çalışmalar 1939’daki çekirdek bölünmesi olayının keşfine kadar çok kısıtlı kalmıştır. Bu olay; oldukça yüksek bir enerji elde edilmesi ve bölünme ürünlerinden yapay radyoaktif elementlerin bulunması açısından önem taşımıştır. İçerisinde bu bölünmelerin kontrollü olarak yapıldığı sistemlere nükleer reaktörler denir.

Zincirleme reaksiyondan yararlanmak için yapılan çalışmalar sonucunda ilk çekirdek reaktörü, Enrico Fermi tarafından Chicago Üniversitesinde 2 Aralık 1942’de işletilmeye başlanılmıştır. Daha sonra fisyondan açığa çıkan enerjinin toplanması ve bundan faydalanılması araştırılmış, enerji üretme amaçlı ilk reaktör elektrik ihtiyacını karşılamak üzere Rusya’nın Obninks kendinde çalışmaya başlamıştır.

Nükleer fisyondan[1] sonra ortaya çıkan nötronların bir kısmı reaksiyonun gerçekleşeceği ortam tarafından emilir, diğer kısmı ise sistemden uzaklaşır. Fisyon reaksiyonunu minimum hızda devam ettirmek için, her bir çekirdek için bir nötronun fisyona sebep olması gerekir. Bu çoğaltma faktörü ile açıklanır. Çoğaltma faktörü, yeniden meydana gelen nöron sayısının, bir önceki jenerasyon nötronlarına eşitliği olarak tanımlanır. Zincirleme reaksiyonu devamlı kılabilmek için bu değerin 1’e eşit veya 1’den büyük bir değerde olması gerekir. Bir reaktörde de reaksiyonun başlayabilmesi için bu şartın sağlanması gerekir. Yine reaktörü durdurmak için değerin 1’in altına alınması yeterlidir. İstenilen reaksiyon şiddetine ulaşılınca bu faktör 1’e göre düzeltilir. Bunu sağlamak için bölünecek maddelerin aralarına doğru nötronları yutan kadmiyum ve bor’lu çelik gibi malzemelerden yapılmış çubuklar uzatılır. Bu çubuklar az veya çok derine daldırılabilecek şekilde hareketlidir. Nötron konsantrasyonunu devamlı şekilde ölçen cihazlar bunları otomatik olarak kontrol ederler.

Çalışma Prensibi Nedir?

Nükleer reaktörlerin çalışma prensibi, termik santrallerin çalışma prensibiyle oldukça benzerdir. Tek fark ısının üretildiği kaynaktır. Termik santrallerde kömür yanmasıyla ısı üretimi gerçekleştirilirken, nükleer santrallerde uranyum yada toryum atomlarının çekirdeklerinin parçalanmasıyla elde edilir. Enerji üretiminde doğrudan kullanılan U235 izotopunun doğadaki miktarı %0.7 kadardır. Kalan bölüm enerji üretiminde doğrudan kullanılmayan U238’dir. U235’in parçalanmasıyla enerji, ısı olarak açığa çıkar. Genel de reaksiyonun kolaylığının ve üretilen ısının reaktörden alınarak kullanılabilmesi için reaktör kazanı su ile doldurulur.

Üretilecek ısının miktarı reaktör kazanının üzerindeki kontrol çubuklarıyla kontrol edilir. Santral çalışmaya başladıktan sonra, yakıt çubukları etrafında bulunan suyu ısıtır. Isınan su, pompalar vasıtasıyla buhar üretecine gönderilir. Su, burada başka bir suyu kaynatırken kendisi de soğur ve tekrar yakıt çubuklarının bulunduğu kazana geri döner. Buhar üretecinde üretilen buhar, türbinlere gönderilir ve hareket enerjisine çevrilir. Daha sonrasında buna bağlı olan jeneratörlerde elektrik enerjisi elde edilir. Türbinden çıkan buhar enerjisi daha fazla elektrik üretiminde kullanılamadığı için bir soğutma kulesi yada nehir/deniz suyu vasıtasıyla soğutulup tekrar suya dönüştürülerek buhar üretecine gönderilir. Nehirden ve denizden alınan su, buharı suya dönüştürmek için kullanıldığından ötürü tehlikesizdir ve tekrar denize yada nehre verilebilir.

[1] – Nükleer fizikte atom çekirdeğinin parçalanması olayına fisyon denir. Bu olayda büyük bir enerji ile beraber nötron ve gama ışınları da açığa çıkar. Bu olay incelendiğinde en az iki nötronun açığa çıktığı görülmektedir. Fisyon yapabilen bir maddenin birkaç çekirdeğinde, fisyon başlatıldığında kalan diğer çekirdeklerde fisyon olayı, ilk başlatılan fisyondan çıkan nötronlar tarafından devam ettirilir. Bu olay başladıktan sonra dışarıdan başka bir etkiye ihtiyaç duyulmaz. Böylece meydana gelen nötronlar yeni fisyonlar oluşturarak zincirleme reaksiyon mekanizmasını oluşturur.

Kaynaklar: